餐廚廢棄物脫水機(jī)的設(shè)計(jì)

■王小峰 許義泉 樊靜波

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川 750021)

餐廚廢棄物是餐館、食堂等場所人們就餐后的剩余物及廚房下腳料,主要包括谷物類、蔬菜類、肉類、動(dòng)植物油、水等。李蜀予等[1]研究表明，采用脫油干燥飼料化的處理模式比較適合寧夏乃至西北地區(qū)的地理氣候、飲食習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。根據(jù)該處理模式，提取餐廚廢棄物中的油脂后，對(duì)其剩余物需經(jīng)干燥獲得干物質(zhì)。但是，脫油處理后的剩余物含水率很高，直接進(jìn)行干燥將導(dǎo)致干燥環(huán)節(jié)負(fù)荷很大。若在干燥前利用機(jī)械方式盡可能地脫去多余的水分，將會(huì)大大減輕干燥環(huán)節(jié)的負(fù)荷，從而有效地降低干燥環(huán)節(jié)的能耗。

疊螺式脫水機(jī)具有能耗低、噪音小、易操作、自清潔等優(yōu)點(diǎn)，近年來在污泥脫水等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文將探討疊螺式脫水機(jī)在餐廚廢棄物脫水處理中的適用性，并根據(jù)餐廚廢棄物的特點(diǎn)，給出關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，為疊螺式餐廚廢棄物脫水設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 餐廚廢棄物含水特性及疊螺式脫水的適用性分析

1.1 疊螺式脫水機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

疊螺式脫水機(jī)由濾筒、螺旋軸、進(jìn)卸料口及背壓板等部件構(gòu)成。濾筒是脫水機(jī)的關(guān)鍵部件，疊螺式脫水機(jī)利用多重固定環(huán)和活動(dòng)環(huán)交替疊摞形成濾筒，內(nèi)置的螺旋軸推動(dòng)物料在筒中運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)的螺旋軸使活動(dòng)環(huán)在徑向做圓周運(yùn)動(dòng)，相對(duì)固定環(huán)產(chǎn)生游動(dòng)，濾筒因而不易堵塞。在濾筒前段，物料中的液體可從固定環(huán)和活動(dòng)環(huán)之間的間隙自然排出，在后段，螺旋腔內(nèi)體積不斷收縮，內(nèi)壓不斷增大，物料中的水分被擠出。這種結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合了過濾濃縮技術(shù)和壓榨技術(shù)，將物料的濃縮和壓榨脫水工作在濾筒內(nèi)完成。從進(jìn)料口到卸料口，固定環(huán)與活動(dòng)環(huán)的間隙逐漸變小，螺旋軸的螺距逐漸越小，通過背壓板可產(chǎn)生很高的壓力，使物料經(jīng)過充分脫水后，從卸料口排出，如圖1所示。

圖1 疊螺式脫水機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.2 餐廚廢棄物中水分的存在形式

根據(jù)物料中水分的存在形式，可分為游離水、間隙水、毛細(xì)管結(jié)合水、表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水等，游離水和間隙水可通過機(jī)械脫水壓濾去除，而毛細(xì)管結(jié)合水、表面吸附水、內(nèi)部結(jié)合水與固體顆粒結(jié)合較緊密，需要較高的能量方可去除。脫油之后的餐廚廢棄物的濕基含水率為82%～95%[2]。餐廚廢棄物中的水分主要以游離水存在，超過90%，餐廚廢棄物脫水機(jī)就是以去除餐廚廢棄物中的游離水為目標(biāo)的裝備。

1.3 疊螺式脫水機(jī)的在餐廚廢棄物脫水中的適用性

餐廚廢棄物是一種黏度大含油的特殊性質(zhì)的物料，與石油污泥的黏度和密度等物性相近[3,4,8,9]。疊螺式脫水機(jī)在石油污泥脫水處理的成功運(yùn)用，為其在餐廚廢棄物脫水中的應(yīng)用提供了可借鑒的工程實(shí)例。

2 設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)參數(shù)確定

本設(shè)計(jì)以寧夏保綠特處理廠日處理量60 t餐廚廢棄物為例。

2.1 螺旋軸結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

螺旋軸是脫水機(jī)中最關(guān)鍵的核心部件之一。螺旋軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：螺旋軸直徑、壓縮比、螺旋槽深度等[5]。

2.1.1 螺旋軸直徑

螺旋軸的直徑與生產(chǎn)能力有關(guān)，根據(jù)近似的生產(chǎn)能力公式Q[6]:

式中：Dp——第一段螺旋平均直徑(m)；

A——第一段螺旋的法向截面積(m2)；A=(t·cos(t為第一段螺旋的螺距;β為第一段螺旋平均直徑處的螺旋角;b為第一段螺旋的螺葉厚度)；

綜觀馬克思的觀點(diǎn)，馬克思深刻認(rèn)識(shí)到了個(gè)人的發(fā)展與社會(huì)的發(fā)展是緊密相連的這一規(guī)律，社會(huì)的全面發(fā)展能夠促進(jìn)個(gè)人全面發(fā)展，同樣個(gè)人的全面發(fā)展也將有力地帶動(dòng)社會(huì)整體的前進(jìn)。當(dāng)然，這里的人的全面發(fā)展是指全社會(huì)每一個(gè)人的全面發(fā)展，而不是一部分人發(fā)展另一部分人卻不發(fā)展。

n——轉(zhuǎn)速(r/min)；

c—進(jìn)料濃度(%)；

r——絕干物料的比重(kg/m3)；

φ——進(jìn)料的填充系數(shù)(常數(shù)0.4～0.6)；

β——為第一段螺旋平均直徑處的螺旋角。

由上式可知，疊螺式脫水機(jī)的生產(chǎn)能力和螺旋軸直徑、轉(zhuǎn)速成正比?？筛鶕?jù)已知參數(shù)初定螺旋軸直徑。在初步選取螺旋直徑后，再根據(jù)已確定的參數(shù)通過生產(chǎn)能力近似公式進(jìn)行驗(yàn)算或修正螺旋軸直徑。根據(jù)我國的標(biāo)準(zhǔn)螺旋直徑，取螺旋軸直徑為D=300 mm（c=35%，r=1 000 kg/m3，φ =0.5）。

2.1.2 螺旋槽深度

螺旋槽深度是螺旋軸外半徑與根半徑之差，對(duì)于螺旋擠壓式脫水，一般取0.2～0.3倍螺旋軸外徑[6]。此值過大，物料層變厚，不易脫水，較易發(fā)生打滑現(xiàn)象。易脫水的物料取上限，而難脫水的取較小值。餐廚廢棄物屬于難脫水，近來越來越趨向取小值，這里取e=20 mm。

螺旋軸的螺距的大小對(duì)于一定直徑的螺旋來說，也就是螺旋升角的大小(tgβ=tπD)。螺距較小時(shí)物料受到的軸向分力增加，徑向分力減小，動(dòng)力消耗會(huì)增加。一般進(jìn)料端的第一個(gè)螺距約取(0.65～0.75)D，逐步減小到最后一個(gè)螺距取(0.3～0.5)D[6]。進(jìn)料端螺距t1=(0.65～0.75)D=195～225，這里取其中間值210 mm。出料端螺距t2=(0.3~0.5)D=90～150，這里取其中間值120 mm。

2.1.4 壓縮比

壓縮比是入料端第一個(gè)螺旋槽的容積與最后一個(gè)螺旋槽容積之比。壓縮比的大小直接影響物料的脫水率[10]。物料層的壓力差同壓縮比成正比。壓縮比小，壓力差小。脫水性能差的，壓縮比取大些。脫水性能好的，取小些。相關(guān)資料[6]，推薦的壓縮比數(shù)值為1∶2～4。計(jì)算或推薦的數(shù)值都偏小。

因此，物料投進(jìn)脫水機(jī)后,就要迅速地受到擠壓，并且壓力的上升要比較平穩(wěn)，最好前段與后段的壓力差不要太大，使物料受到一個(gè)較長時(shí)間的擠壓脫水。

由于螺旋槽分了三段，即壓縮比為：

式中：V1、V2、V3為螺旋軸各段螺旋通道的容積，其容積可按下式計(jì)算:

對(duì)餐廚廢棄物來說脫水性能相對(duì)較差，根據(jù)公式進(jìn)行驗(yàn)算和修正以后，壓縮比取4為宜。

2.2 轉(zhuǎn)速

螺旋軸轉(zhuǎn)速取決于物料在脫水機(jī)濾筒內(nèi)所停留時(shí)間，這又與物料的濾水性、涳水量、出料含水量有關(guān)。一般推薦轉(zhuǎn)速為n=2～6 r/min[11]。為了增加物料在濾筒內(nèi)的停留時(shí)間轉(zhuǎn)速n=2 r/min為宜。

2.3 疊片尺寸及其間隙

2.3.1 疊片尺寸

根據(jù)螺旋軸的直徑，可確定固定環(huán)內(nèi)徑為300 mm，外徑345 mm、厚度3 mm?；顒?dòng)環(huán)的內(nèi)徑須靠螺旋軸螺旋葉片的外緣驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)徑向游動(dòng)，若將游動(dòng)幅度設(shè)為10 mm，則活動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑應(yīng)為290 mm。外徑335 mm、厚度3 mm。

2.3.2 疊片間隙

疊片與疊片的間隙是根據(jù)顆粒大小來決定的。疊片與疊片間隙的大小也是根據(jù)過濾篩濾網(wǎng)孔徑的大小而定的。根據(jù)餐廚廢棄物經(jīng)前期粉碎處理后顆粒的大小約為3 mm，前段的間隙為1 mm、中端間隙為0.6 mm、后端的間隙0.3 mm。這應(yīng)與不同階段的脫水形式有關(guān)：前段為涳，后段為擠。

3 結(jié)論

通過對(duì)疊螺式脫水機(jī)機(jī)理以及對(duì)餐廚廢棄物的物性的分析，疊螺式脫水機(jī)可以用于餐廚廢棄物的脫水處理；并給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過調(diào)節(jié)螺旋軸轉(zhuǎn)速、被壓板的間隙等參數(shù)，讓其達(dá)到更好的脫水效果。而低轉(zhuǎn)速、無人值守、濾網(wǎng)不易堵塞、粘黏等優(yōu)點(diǎn)尤其適合于餐廚廢棄物的脫水。

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